【转载】Unity ShaderLab 框架全解析1、2、3

ShaderJoy
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该系列主要是根据 Unity 官方文档和个人搜集的知识对 Unity ShaderLab 框架进行总结，比较基础，用于提高知识学习、复习的效率。对于文中给到的文章链接的作者表示感谢

1、Properties

Properties

官方链接：ShaderLab: Properties

属性是 ShaderLab 当中比较容易理解的，在 Shader 当中定义了变量之后，它可以 将 Shader 当中所用到的变量暴露出来，方便我们在材质面板进行调节和在代码中进行调用 。

下面展示一个 ShaderLab 当中比较全面的属性代码：

Properties{
        //数值和滑动条
        _Num1("Num1Name",Range(8,256)) = 20
        _Num2("Num2Name",Float) = 1
        _Num3("Num3Name",Int) = 1
        //颜色和向量
        _Color("ColorName",Color) = (1,1,1,1)
        _Vector("VectorName",Vector) = (1,1,1,1)
        //纹理
        _Texture1("Texture1Name",2D) = "defaulttexture"{}
        _Texture2("Texture2Name",Cube) = "defaulttexture"{}
        _Texture3("Texture3Name",3D) = "defaulttexture"{}
}

对应的材质 inspector

image.png

更多细节

其中 2D 纹理可以设定 Unity 内置的默认纹理，比如将上面的 defaulttexture 写为

  • white (RGBA: 1,1,1,1),
  • black (RGBA: 0,0,0,0),
  • gray (RGBA: 0.5,0.5,0.5,0.5),
  • bump (RGBA: 0.5,0.5,1,0.5)
  • 或者 red (RGBA: 1,0,0,0)。

Cube 和 3D 纹理在材质没有被外部赋值时，则默认采用 gray (RGBA: 0.5,0.5,0.5,0.5)。

属性特性

在每一个属性代码的前面加 [特性名] 可以设置属性在面板上面的显示和配置方式，Unity 可以辨识的属性特性有：

  • [HideInInspector] - 在材质面板上不显示该属性
  • [NoScaleOffset] - 材质面板不显示纹理的缩放和偏移控制输入框，也就是上图中的 Tilling 和 Offset。
  • [Normal] - 表示该纹理需要一个法线纹理输入
  • [HDR] - 表示需要高动态范围的纹理或者颜色
  • [Gamma] - 表示该向量或者浮点数值在 UI 中以 sRGB 来指定的，需要采用 Gamma 矫正。
  • [PerRendererData] - 表示纹理属性将以 MaterialPropertyBlock 的形式来自每个渲染器数据。

在 MaterialPropertyBlock 中设置的 Per-Renderer 值。表示这通常是 “每个实例” 的数据(例如，为许多共享相同材质的对象个性化定义色调颜色)。具体可参看相关官方文档链接 Accessing shader properties in Cg/HLSL

上面特性的具体效果可以自行测试。

2、SubShader、Fallback

SubShader

ShaderLab 是由一个或者多个 SubShader 组成的，当 Unity 渲染网格模型时，会在 Shader 文件即 ShaderLab 框架当中寻找 能在当前显卡上运行的最高级的效果最好的 SubShader 来使用，SubShader 由一系列的 Pass 组成。Pass 当中 包含着真正的 Shader 的具体代码。ShaderLab 或者说 Shader 文件的框架大概如下：

Shader "Shader文件路径名"{
	Properties{
		……	
	}
	SubShader{
		Pass{
			……
		}
		Pass{
			……
		}
		……
	}
	SubShader{
		Pass{
			……
		}
		Pass{
			……
		}
		……
	}
	……

}

SubShader Tag

SubShader 使用 Tag 来 控制自身何时怎样被引擎使用来渲染。

Tag 使用的基本方法如下：

SubShader{
        Tags { "TagName1" = "Value1" "TagName2" = "Value2" }
        Pass{
                ……
        }
        Pass{
                ……
        }
        ……
}

在大括号内可以指定任意数量的键值对，Unity 有一些 预设的键值对：

Rendering Order

渲染顺序键，分别对应着几种预设的值，每个顺序值在内部实现上都是整数

  1. Background - 对象最先渲染，值为 1000
  2. Geometry (default) - 是渲染顺序的缺省值，渲染绝大多数不透明的网格，值为 2000
  3. AlphaTest - 通过 alpha 测试的 geometry 使用此队列。这是与“Geometry ” 相分离的队列，因为在绘制所有实体（Solid）后，可以更有效地渲染通过 Alpha 测试的对象。值为 2450
  4. Transparent - 在 “Geometry” 和 “AlphaTest” 之后渲染，当中的网格按照从后往前的顺序渲染，所有使用 alpha-blended 的( shader 当中不进行深度写入的 )在这个渲染队列当中（比如玻璃，粒子），值为 3000
  5. Overlay - 最后渲染的对象，比如光晕、UI，值为 4000

因为队列值为整数，所以可以自定义非预设的值，比如 "Queue" = "Geometry+1" ，表示在所有的 Geometry 对象之后渲染。

RenderType

用来给 Shader 进行分类，比如 Unity 内置的一些常用 RenderType，如Opaque, Transparent, Background, Overlay，另外还可以自定义 RenderType，可以用来进行材质替代渲染，具体实现参考之前一篇文章：Unity材质替代渲染相关: RenderWithShader & SetReplacementShader

ForceNoShadowCasting

如果对应值为真，则使用该 Subshader 则不会进行阴影投射，不执行 Shadow Pass

IgnoreProjector

如果对应值为真，则忽略 Projector 的影响，Projector 具体参照官方文档：Projector，比较容易理解。

CanUseSpriteAtlas

如果值为假，则 shader 使用 sprite，那么当 sprite 装入图集之后 shader 将不起作用。

PreviewType

控制材质球在预览面板的显示方式，默认展示球形，可以设置为 Plane、 Skybox

Fallback

在所有的 Subshader 定义之后，可以定义 Fallback，表示如果没有 Subshader 可以运行在当前的硬件环境上，那么就使用一个已定义的shader （这不就是传说中的 备胎 嘛， T_T）：

Fallback "name"

使用下面的语句表示即使所有的 Subshader 都不能运行，也不使用其他的 shader 并且不允许报错。

Fallback Off

3、Custom Shader GUI

有时 shader 的一些属性数据 无法在编辑器面板上很好的展示出来，所有 Unity 允许用户自定义 shader 的显示面板，比如增加其他的控制方式。

在 ShaderLab 的 Subshader 外写下如下语句：

CustomEditor "name"

Unity 会自动寻找名为 name 的类，该类需要继承自 ShaderGUI 类，每一个定义上述语句的 shader 都会实例化一个 name 类的实例并执行里面的代码。

下面根据个人理解解释一下官方案例：

自定义的表面着色器：

Shader "Custom/Redify" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    __SubShader__ {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        __LOD__ 200
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert addshadow
        #pragma shader_feature REDIFY_ON //通过 shader_feature  编译指令定义关键字

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;

            #if REDIFY_ON				// 如果定义关键字，那么就改变输出的 Albedo 颜色
            o.Albedo.gb *= 0.5;
            #endif
        }
        ENDCG
    } 
    CustomEditor "CustomShaderGUI"
}

自定义的 CustomShaderGUI 类

继承自 ShaderGUI：

using UnityEngine;
using UnityEditor;
using System;

public class CustomShaderGUI : ShaderGUI
{
    public override void OnGUI(MaterialEditor materialEditor, MaterialProperty[] properties)
    {
        // render the default gui
        base.OnGUI(materialEditor, properties);

        Material targetMat = materialEditor.target as Material;

        // see if redify is set, and show a checkbox
        bool redify = Array.IndexOf(targetMat.shaderKeywords, "REDIFY_ON") != -1;
        EditorGUI.BeginChangeCheck();
        redify = EditorGUILayout.Toggle("Redify material", redify);
        if (EditorGUI.EndChangeCheck())
        {
            // enable or disable the keyword based on checkbox
            if (redify)
                targetMat.EnableKeyword("REDIFY_ON");
            else
                targetMat.DisableKeyword("REDIFY_ON");
        }
    }
}

和之前说的一样，在 shader 文件中写下如下语句：

CustomEditor "CustomShaderGUI"

Unity 查找到对应的类并执行代码，另外 关键的是，shader 中使用编译指令定义了关键字 —— REDIFY_ON （这部分和编译指令以及 shader 变体有关，具体参考这篇文章：Shader入门（二十一）多重变体（Multiple Variants））。

总之，通过控制该关键字的定义，可以 产生不同效果 的 shader。在 CustomShaderGUI 类的 OnGUI 函数中进行检测，如果 GUI 发生变动（即 checkbox 被手动更改），那么根据 redify 的值来控制是否定义 shader 当中的 REDIFY_ON 关键字，从而达到控制输出的目的。

image.png

目前还没有应用到这方面知识，之后会进行更复杂的实现。

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